تأثیر ویژگی‌های سنگدانه و طرح اختلاط بر نفوذپذیری و دوام بتن در محیط‌های خورنده

در دهه های اخیر، تمرکز صنعت ساختمان از صرفاً تأمین مقاومت فشاری به سمت تضمین دوام بتن در محیط های خورنده تغییر یافته است . در این میان،کنترل نفوذپذیری بتن به عنوان مهم ترین شاخص دوام مطرح است. اگرچه سیمان و نسبت آب به سیمان (W/C) مؤلفه های تعیین کننده دوام تلقی می شوند، اما اغلب از نقش محوری ویژگی سنگدانه بتن و کیفیت دانه بندی سنگدانه غفلت می شود.

چرا شناخت سنگدانه ها برای دوام بتن حیاتی است؟

سنگدانه ها بیش از ۷۰ تا ۸۰ درصد حجم بتن را تشکیل می دهند و صرفاً "پرکننده" نیستند . کیفیت و توزیع ابعادی آن ها تأثیر مستقیمی بر کارایی بتن تازه،میزان آب مصرفی و در نهایت، نفوذپذیری بتن سخت شده دارد .

یکی از مهم ترین عواملی که دوام بتن را تحت تأثیر قرار می دهد،ساختار ریز در فاز انتقالی بتن (Interfacial Transition Zone - ITZ) است. ITZ ناحیه ضعیف و متخلخلی است که بین سطح سنگدانه و خمیر سیمان تشکیل می شود . هرچه کیفیت سنگدانه و دانه بندی آن نامناسب تر باشد،این منطقه ضعیف تر و نفوذپذیرتر خواهد بود. در محیط های خورنده، مانند مناطق ساحلی، اسکله ها و سازه های در معرض یون کلرید (مانند محیط خلیج فارس)،بالا بودن نفوذپذیری به معنای تسریع فرآیند تخریب و کاهش عمر مفید سازه است .

اثر اندازه، شکل و بافت سنگدانه بر نفوذپذیری بتن

ویژگی های فیزیکی سنگدانه، ازجمله حداکثر اندازه، شکل (زاویه دار یا گردگوشه) و بافت سطحی (صاف یا زبر)،نقشی تعیین کننده در میزان آب مورد نیاز برای حفظ کارایی و در نتیجه، در نسبت آب به سیمان (W/C) و نفوذپذیری نهایی ایفا می کنند .

حداکثر اندازه سنگدانه و تأثیر آن بر ترک های فاز انتقالی

حداکثر اندازه سنگدانه (Maximum Aggregate Size) نه تنها بر مصرف سیمان و آب، بلکه بر توسعه ترک های میکروسکوپی در ITZ تأثیر مستقیم دارد . مطالعات نشان می دهد:

1. افزایش اندازه دانه و افزایش ترک های میکروسکوپی: هرچه اندازه سنگدانه بزرگ تر باشد،سطح ITZ نیز بزرگ تر شده و در نتیجه، ناحیه ضعیف و نفوذپذیر در بتن افزایش می یابد .
2. ترک های فاز انتقالی: سنگدانه های بزرگ تر هنگام فرآیند آب گیری و سخت شدن بتن، در برابر جمع شدگی خمیر سیمان مقاومت بیشتری نشان می دهند. این مقاومت منجر به ایجاد تنش های کششی بزرگ تر در اطراف محیط سنگدانه و توسعه ریزترک ها در فاز انتقالی می شود. به همین دلیل، در بتن های با دوام بالا،توصیه می شود حداکثر اندازه سنگدانه بیش از ۲۰ میلی متر نباشد .

نقش قید سنگدانه در جمع شدگی خمیر سیمان

سنگدانه ها در بتن نقش "قید" را ایفا می کنند و مانع از جمع شدگی آزاد خمیر سیمان می شوند . این قید در طول خشک شدن بتن، منجر به ایجاد تنش های داخلی می شود که می تواند در نواحی ITZ متمرکز شده و ترک های ریز را تشدید کند. استفاده از سنگدانه های با مدول الاستیسیته بالا و بافت زبر،می تواند توزیع تنش ها را بهبود بخشد، هرچند که ممکن است نیاز به استفاده از افزودنی های بتن برای حفظ کارایی را افزایش دهد.

شکل سنگدانه و اثر آن بر تراکم و کارایی

سنگدانه های گردگوشه (رودخانه ای) نسبت به سنگدانه های زاویه دار (شکسته) اصطکاک داخلی کمتری ایجاد می کنند .

• مزیت سنگدانه های گردگوشه: به ازای مصرف آب یکسان، کارایی بیشتری ارائه می دهند، که به مجری این امکان را می دهد تا نسبت آب به سیمان را کاهش دهد و تراکم بهتری حاصل کند. تراکم بالاتر مساوی است با نفوذپذیری کمتر.
• عیب سنگدانه های زاویه دار: ن��از به آب یا خمیر سیمان بیشتری برای روان شدن دارند،اما پس از تراکم،قفل و بست بهتری ایجاد کرده و مقاومت مکانیکی بالاتر می دهند .

اثر درصد ریزدانه ها و ماسه بر کارایی و دوام بتن

نقش ریزدانه در بتن بسیار حیاتی است؛ آن ها فضاهای خالی بین سنگدانه های درشت را پر کرده، تراکم را بهبود بخشیده و آب بندی خمیر سیمان را تسهیل می کنند.

نسبت ماسه به کل سنگدانه ها

در یک طرح اختلاط بتن بادوام،کنترل دقیق نسبت ماسه (سنگدانه ریز) به کل سنگدانه ها ضروری است.

• مقدار کم ماسه: اگر مقدار ماسه کم باشد، جداشدگی و آب انداختگی (Bleeding) بتن افزایش می یابد. نشت آب به سطح،باعث افزایش نسبت آب به سیمان در زیر سنگدانه های درشت شده و منطقه ITZ را به شدت متخلخل می کند.
• مقدار زیاد ماسه: افزایش بیش از حد ماسه، به دلیل افزایش سطح مخصوص،نیاز به آب یا خمیر سیمان بیشتری برای پوشاندن دانه ها دارد،که اگر نسبت آب به سیمان ثابت نگه داشته شود، کارایی کاهش می یابد و بتن خشک می شود . اگر برای حفظ کارایی، آب اضافه شود، نفوذپذیری بالا می رود.

تأثیر رس و مواد عبوری از الک ۲۰۰

حضور مواد مضر،به ویژه رس یا سایر مواد عبوری از الک شماره ۲۰۰،حتی به مقدار کم،می تواند به شدت بر دوام تأثیر بگذارد . این مواد نه تنها باعث افزایش نیاز آبی می شوند، بلکه در سطوح تماس سنگدانه با خمیر سیمان تجمع یافته و به طور مستقیم باعث ضعیف شدن ناحیه ITZ و افزایش نفوذپذیری می شوند. آیین نامه ها میزان مجاز این مواد را محدود می کنند.

محدودیت های طرح اختلاط بتن در محیط های خورنده (خلیج فارس)

طراحی بتن برای محیط هایی با تهاجم شیمیایی بالا،مانند مناطق جنوبی ایران که در معرض کلرید،سولفات و شرایط حرارتی سخت هستند،نیازمند دقت مضاعف است.

ارائه طرح اختلاط عمومی سخت است؛ هر پروژه نیازمند بررسی شرایط اقلیمی، دسترسی به منابع سنگدانه محلی و آزمایش های میدانی است . با این حال،الزامات آیین نامه ای (مانند آیین نامه بتن ایران – آبا) محدودیت های سختی را برای حداقل میزان سیمان و حداکثر نسبت W/C اعمال می کنند. در این محیط ها، هدف اصلی کاهش نفوذپذیری بتن به حداقل مطلق است تا از نفوذ یون های خورنده به پوشش میلگرد (کاور) جلوگیری شود.

دسته بندی شرایط محیطی 

استانداردهای داخلی و بین المللی،محیط ها را بر اساس شدت تهاجم و نوع مواد مهاجم طبقه بندی می کنند. آیین نامه آبا شرایط محیطی را به دسته های A تا F تقسیم می کند که نوع مصالح،نسبت آب به سیمان،و میزان پوشش بتن را برای هر دسته مشخص می سازد .

دسته بندی شرایط محیطی (مطابق آیین نامه آبا)	توصیف شرایط محیطی	نوع تهاجم و الزامات دوام	مثال کاربردی
A	محیط های ملایم	حداقل محدودیت ها (مانند مناطق خشک داخلی و محافظت شده)	ساختمان های داخلی، فونداسیون در خاک غیرتهاجمی
B	محیط های متوسط	رطوبت بالا و احتمال کربناتاسیون (عدم وجود یون کلرید خارجی)	نمای ساختمان در محیط مرطوب، پل ها در مناطق غیرساحلی
C	محیط های شدید	حضور یون کلرید خارجی (غیر از آب دریا) یا سولفات های متوسط	پارکینگ ها، عرشه پل های در معرض یخ زدا، سازه های زیرزمینی با سولفات
D	محیط های بسیار شدید	تماس مستقیم با آب دریا یا محیط هایی با کلرید و سولفات بالا	سازه های دریایی (اسکله،موج شکن)، فونداسیون در محیط خلیج فارس
E	محیط های فوق العاده شدید	مواد شیمیایی خورنده، سایش شدید و حملات اسیدی/قلیایی	تأسیسات صنعتی،کارخانجات شیمیایی، سازه های تصفیه خانه
F	محیط های ویژه	سیکل های ذوب و یخبندان،لرزش های دائمی	روسازی های بتنی در مناطق سردسیر

جدول کامل حداقل مقدار سیمان،نوع سیمان،نسبت آب به سیمان و میزان پوشش بتن

برای دستیابی به دوام بتن در محیط های خورنده (به ویژه دسته های D و E)، اعمال محدودیت های سخت گیرانه در طرح اختلاط بتن ضروری است . جدول زیر خلاصه ای از این الزامات بر اساس ضوابط معمول در طرح های بادوام است.

دسته بندی محیطی	حداکثر نسبت آب به سیمان (W/C)	حداقل مقدار سیمان (Kg/m³)	حداقل رده مقاومتی (Mpa)	حداقل پوشش میلگرد (میلی متر)	نوع سیمان پیشنهادی
A	۰ .۶۰	۲۵۰	۲۰	۲۰	پرتلند نوع ۱
B	۰ .۵۰	۲۸۰	۲۵	۳۰	پرتلند نوع ۲
C	۰ .۴۵	۳۲۰	۳۰	۴۰	پرتلند پرپوزولانی (II/P)
D (آب دریا و کلرید بالا)	۰ .۴۰	۳۵۰	۳۵	۵۰	سیمان ضد سولفات (نوع ۵) یا استفاده از پوزولان ها
E	۰ .۳۵	۳۸۰	۴۰	۶۰	سیمان با مقاومت شیمیایی بالا + دوده سیلیس

نقش مواد جایگزین سیمان (SCMs)

در محیط های خورنده،استفاده از مواد جایگزین سیمان (Supplementary Cementitious Materials - SCMs) مانند دوده سیلیس (Silica Fume)،روباره (Slag)، و سایر پوزولان ها (مانند خاکستر بادی) حیاتی است . این مواد با اصلاح شیمیایی خمیر سیمان و پر کردن منافذ بسیار ریز (Pore refinement)، نفوذپذیری بتن را به شدت کاهش می دهند .

• دوده سیلیس: به دلیل ذرات فوق العاده ریز، باعث تراکم بیشتر شبکه بتن و کاهش نفوذپذیری در برابر یون کلرید می شود.
• روباره: در برابر حملات سولفاتی بسیار مؤثر است و نفوذپذیری را کاهش می دهد.

ضوابط مهم در کاهش یا افزایش پوشش میلگرد

پوشش میلگرد (کاور)،خط دفاعی اول بتن در برابر عوامل خورنده است. ضخامت این پوشش باید بر اساس شرایط محیطی و روش اجرای دقیق انتخاب شود .

آیین نامه ها اجازه می دهند که ضخامت پوشش بتن در شرایط خاص تعدیل شود:

1. کاهش پوشش در صورت استفاده از پوشش های محافظ: در صورتی که پس از بتن ریزی، از پوشش های محافظ با دوام و نفوذناپذیر بر روی سطح بتن استفاده شود، می توان ضخامت پوشش بتن را تا ۲۰ میلی متر کاهش داد (با تأیید مراجع فنی).
2. کاهش پوشش در صورت افزایش رده بتن: اگر رده بتن مورد استفاده نسبت به رده الزامی جدول،بالاتر باشد (مثلاً افزایش ۵ مگاپاسکال)،می توان تا ۵ میلی متر از پوشش کاست .
3. افزایش پوشش برای میلگردهای با قطر بالا: برای میلگردهایی با قطر بیشتر از ۳۶ میلی متر،پوشش بتن باید حداقل ۱۰ میلی متر افزایش یابد تا از تراکم مناسب بتن در اطراف میلگرد اطمینان حاصل شود.

الزامات دانه بندی سنگدانه ریز (جدول استاندارد)

دانه بندی مناسب سنگدانه ریز (ماسه) نقش اساسی در کاهش جداشدگی و آب انداختگی دارد . توزیع مناسب اندازه دانه ها، فضای داخلی بتن را بهینه کرده و کارایی پمپاژ را افزایش می دهد.

الک (اندازه)	درصد وزنی تجمعی عبورکننده
۹ .۵۰ میلی متر (۳/۸ اینچ)	۱۰۰
۴ .۷۵ میلی متر (نمره ۴)	۹۵ – ۱۰۰
۲ .۳۶ میلی متر (نمره ۸)	۸۰ – ۱۰۰
۱.۱۸ میلی متر (نمره ۱۶)	۵۰ – ۸۵
۰.۶۰ میلی متر (نمره ۳۰)	۲۵ – ۶۰
۰ .۳۰ میلی متر (نمره ۵۰)	۱۰ – ۳۰
۰.۱۵ میلی متر (نمره ۱۰۰)	۲ – ۱۰

اهمیت توزیع مناسب: عدم رعایت این استانداردها (مثلاً کمبود دانه های سایز میانی) منجر به افزایش فضاهای خالی بین دانه ها شده که با خمیر سیمان پر می شوند. این امر باعث افزایش جمع شدگی و آب انداختگی در نهایت، کاهش دوام می شود.

الزامات دانه بندی سنگدانه درشت (جدول استاندارد ملی ایران)

انتخاب صحیح حداکثر اندازه سنگدانه و دانه بندی سنگدانه درشت نیز برای بتن بادوام ضروری است. آیین نامه ها،دانه بندی ها را بر اساس حداکثر اندازه اسمی (۴۰، ۲۰، ۱۵، ۱۰ میلی متر) طبقه بندی می کنند .

اندازه الک (میلی متر)	درصد عبور وزنی تجمعی (برای حداکثر اندازه اسمی ۲۰ میلی متر)	درصد عبور وزنی تجمعی (برای حداکثر اندازه اسمی ۱۰ میلی متر)
۳۷ .۵	۱۰۰	–
۲۵.۰	۹۰ – ۱۰۰	–
۱۹.۰	۳۵ – ۷۰	۱۰۰
۹ .۵۰	۱۰ – ۴۰	۸۵ – ۱۰۰
۴.۷۵	۰ – ۵	۰ – ۱۰

انتخاب صحیح برای محیط های خورنده: در بتن های مسلح در محیط های خورنده،استفاده از سنگدانه با حداکثر اندازه ۲۰ میلی متر استاندارد است. با این حال،در سازه هایی با تراکم آرماتور بالا (مانند شاه تیرها و دال های نازک)،استفاده از دانه بندی ۱۵ یا حتی ۱۰ میلی متر توصیه می شود تا کارایی و تراکم در اطراف میلگردها تضمین شود. بزرگ ترین خطر در محیط های خورنده،باقی ماندن حفره های هوا (Honeycombs) به دلیل گیر کردن سنگدانه درشت بین میلگردها و عدم تراکم است .

توصیه های اجرایی برای طرح اختلاط بادوام

برای تضمین حداقل نفوذپذیری و حداکثر دوام، مهندسان باید فراتر از حداقل های آیین نامه ای عمل کنند:

1. استفاده از سنگدانه با حداکثر اندازه ۲۰mm: در سازه های بتن مسلح،از بزرگتر شدن دانه بندی درشت از ۲۰ میلی متر خودداری کنید.
2. رعایت نسبت آب به سیمان: نسبت W/C را تا حد امکان پایین نگه دارید (حتی کمتر از ۰.۴۰ برای مناطق بسیار خورنده) و برای جبران کاهش کارایی، از افزودنی های فوق روان کننده با کیفیت بالا استفاده کنید.
3. انتخاب مواد سیمانی مناسب: از سیمان های ترکیبی (مانند سیمان پرتلند پوزولانی یا روباره ای) یا استفاده از مواد جایگزین سیمان در طرح اختلاط بهره بگیرید .
4. استفاده از افزودنی های کاهش دهنده نفوذپذیری: افزودنی های آب بند کننده و کاهنده نفوذپذیری بتن را در طرح اختلاط بگ��جانید.
5. کنترل دقیق دانه بندی: اطمینان حاصل کنید که سنگدانه ها دارای توزیع دانه بندی پیوسته و مناسب (Grading Curve) باشند و میزان مواد مضر آن ها صفر یا نزدیک به صفر باشد.

نقش محصولات کلینیک بتن در افزایش دوام بتن

تأمین دوام بتن تنها با طرح اختلاط آغاز شده و در مرحله اجرا با استفاده از مصالح کمکی و محافظتی به اوج می رسد. کلینیک بتن طیف گسترده ای از محصولات را برای رفع چالش های دوام سازه های بتنی در محیط های خورنده ارائه می دهد:

اسپیسر بتن برای کنترل کاور صحیح

برای تضمین پوشش میلگرد (کاور) که حداقل ۵۰ میلی متر در محیط های دریایی است، استفاده از تکیه گاه های دقیق و مقاوم ضروری است. اسپیسر بتن با ابعاد مشخص، تضمین می کند که میلگردها دقیقاً در مرکز پوشش بتنی قرار می گیرند و از کاهش ضخامت پوشش که منجر به زنگ زدگی زودرس می شود،جلوگیری می کنند.

افزودنی های معدنی (دوده سیلیس،سرباره و ...)

برای کاهش مؤثر نفوذپذیری و افزایش مقاومت در برابر کلرید و سولفات، افزودنی های معدنی (SCMs) کلینیک بتن، بتن را در سطح میکرو متراکم می کنند و ساختار کریستالی خمیر سیمان را بهبود می بخشند.

افزودنی های کاهنده نفوذپذیری

افزودنی های شیمیایی کلینیک بتن،با تشکیل ساختارهای آب گریز در منافذ بتن، جذب آب و نفوذ عوامل مهاجم را به حداقل می رسانند . این افزودنی ها در پروژه های سازه های دریایی نقش حیاتی دارند.

پوشش های محافظتی برای محیط های خورنده

در محیط های با تهاجم فوق العاده شدید (دسته E)، حتی بتن رده بالا نیز نیازمند محافظت ثانویه است . پوشش های محافظتی (مانند پوشش های اپوکسی یا پلی یورتان مقاوم در برابر مواد شیمیایی) یک سد فیزیکی نفوذناپذیر بر روی سطح ایجاد می کنند.

جمع بندی

نفوذپذیری و دوام بتن نه تنها تابع نسبت آب به سیمان و محتوای سیمان،بلکه تحت تأثیر مستقیم ویژگی سنگدانه بتن،کیفیت دانه بندی سنگدانه و اجرای دقیق ضوابط پوشش میلگرد قرار دارد . در طراحی طرح اختلاط بتن در محیط خورنده، مهندسین باید با دقت حداکثری،از سنگدانه های با دانه بندی پیوسته استفاده کرده،نسبت W/C را در پایین ترین حد ممکن نگه دارند و از مواد جایگزین سیمان برای بهبود ساختار فاز انتقالی بهره ببرند.